"Rafraîchis-le!" C'est une directive primordiale pour les puces de microprocesseurs et une nouvelle solution prometteuse pour répondre à cet impératif est en vue. Des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie (DOE) ont développé une technique « conviviale pour les processus » qui permettrait le refroidissement des puces de microprocesseur à travers des nanotubes de carbone.

Frank Ogletree, un physicien à la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab, a dirigé une étude dans laquelle des molécules organiques ont été utilisées pour former de fortes liaisons covalentes entre les nanotubes de carbone et les surfaces métalliques. Cela a multiplié par six le flux de chaleur du métal vers les nanotubes de carbone, ouvrant la voie à plus rapide, refroidissement plus efficace des puces informatiques. La technique se fait par chimie vapeur gazeuse ou liquide à basse température, ce qui le rend approprié pour la fabrication de puces informatiques.

"Nous avons développé des voies de liaison covalentes qui fonctionnent pour les métaux formant des oxydes, comme l'aluminium et le silicium, et pour les métaux plus nobles, comme l'or et le cuivre, " dit Ogletree, qui sert d'ingénieur du personnel pour l'installation d'imagerie à la fonderie moléculaire, un centre de nanosciences du DOE hébergé par Berkeley Lab. "Dans les deux cas, l'adhérence mécanique s'est améliorée de sorte que les liaisons de surface étaient suffisamment fortes pour retirer un réseau de nanotubes de carbone de son substrat de croissance et améliorer considérablement le transport de la chaleur à travers l'interface."

Ogletree est l'auteur correspondant d'un article décrivant cette recherche dans Communication Nature . L'article s'intitule "Transport thermique amélioré aux interfaces de réseaux de nanotubes de carbone fonctionnalisés de manière covalente". Les co-auteurs sont Sumanjeet Kaur, Nachiket Raravikar, Brett Helms et Ravi Prasher.

La surchauffe est le fléau des microprocesseurs. Au fur et à mesure que les transistors chauffent, leurs performances peuvent se dégrader au point de ne plus fonctionner comme des transistors. Avec des puces de microprocesseur de plus en plus denses et des vitesses de traitement qui continuent d'augmenter, le problème de surchauffe est de plus en plus important. Le premier défi consiste à conduire la chaleur hors de la puce et sur la carte de circuit où les ventilateurs et d'autres techniques peuvent être utilisés pour le refroidissement. Les nanotubes de carbone ont démontré une conductivité thermique exceptionnellement élevée, mais leur utilisation pour le refroidissement des puces de microprocesseur et d'autres dispositifs a été entravée par les résistances d'interface thermique élevées dans les systèmes nanostructurés.

"La conductivité thermique des nanotubes de carbone dépasse celle du diamant ou de tout autre matériau naturel, mais parce que les nanotubes de carbone sont si chimiquement stables, leurs interactions chimiques avec la plupart des autres matériaux sont relativement faibles, ce qui permet une haute résistance d'interface thermique, " dit Ogletree. " Intel est venu à la fonderie moléculaire pour améliorer les performances des nanotubes de carbone dans les appareils. En collaboration avec Nachiket Raravikar et Ravi Prasher, qui étaient tous deux ingénieurs Intel au lancement du projet, nous avons pu augmenter et renforcer le contact entre les nanotubes de carbone et les surfaces d'autres matériaux. Cela réduit la résistance thermique et améliore considérablement l'efficacité du transport de la chaleur."

Sumanjeet Kaur, auteur principal de la Communication Nature papier et expert en nanotubes de carbone, avec l'aide du co-auteur et chimiste de Molecular Foundry Brett Helms, utilisé des molécules réactives pour ponter l'interface nanotube de carbone/métal - aminopropyl-trialkoxy-silane (APS) pour les métaux formant des oxydes, et la cystéamine pour les métaux nobles. Les premiers réseaux de nanotubes de carbone alignés verticalement ont été développés sur des plaquettes de silicium, et des films minces d'aluminium ou d'or ont été évaporés sur des lamelles de microscope en verre. Les films métalliques ont ensuite été « fonctionnalisés » et autorisés à se lier aux réseaux de nanotubes de carbone. L'augmentation du flux de chaleur a été confirmée à l'aide d'une technique de caractérisation développée par Ogletree qui permet des mesures spécifiques à l'interface du transport de chaleur.

"Vous pouvez considérer la résistance d'interface dans le flux de chaleur en régime permanent comme une distance supplémentaire sur laquelle la chaleur doit traverser le matériau, " dit Kaur. "Avec les nanotubes de carbone, la résistance de l'interface thermique ajoute quelque chose comme 40 microns de distance de chaque côté de la couche réelle de nanotubes de carbone. Avec notre technique, nous sommes en mesure de diminuer la résistance de l'interface de sorte que la distance supplémentaire soit d'environ sept microns à chaque interface."

Bien que l'approche utilisée par Ogletree, Kaur et leurs collègues ont considérablement renforcé le contact entre un métal et des nanotubes de carbone individuels au sein d'un réseau, une majorité des nanotubes dans le réseau peuvent toujours ne pas se connecter au métal. L'équipe de Berkeley développe actuellement un moyen d'améliorer la densité des contacts nanotubes de carbone/métal. Leur technique devrait également être applicable aux dispositifs de graphène mono et multicouches, qui font face aux mêmes problèmes de refroidissement.

"Une partie de notre mission à la Fonderie Moléculaire est d'aider à développer des solutions aux problèmes technologiques qui nous sont posés par les utilisateurs industriels qui soulèvent également des questions de science fondamentale, " dit Ogletree. " En développant cette technique pour résoudre un problème technologique du monde réel, nous avons également créé des outils qui fournissent de nouvelles informations sur la chimie fondamentale."